마이크로 시각화

Jul 13, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13375(2022) 이 기사 인용

1980년 액세스

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측정항목 세부정보

광학 현미경 기술은 마이크로 에이전트를 시각화하는 데 널리 사용되는 선택입니다. 상대적으로 높은 시공간 해상도의 이미지를 생성하지만 마이크로 에이전트와 주변 환경을 구별하기 위해 인코딩된 정보를 공개하지 않습니다. 이 연구는 스펙트럼 비혼합을 통해 이동성 마이크로 에이전트와 동적 주변 환경을 색상으로 구분하여 식별하기 위한 다색 형광 현미경을 제시합니다. 우리는 표적 약물 전달 시연을 위한 개념 증명으로 HeLa 세포로 형성된 암 회전 타원체에 단일 및 클러스터 마이크로 에이전트의 부착을 시각화하여 다색 현미경 성능을 보고합니다. 부착을 위한 단일 회전타원체를 고정하고 다색 현미경 검사를 위한 안정적인 환경을 제공하며 3D 종양 모델을 생성하기 위해 미세유체 칩이 개발되었습니다. 다색 현미경 검사법이 혈관화된 환경에서 마이크로 작용제를 시각화할 수 있는지 확인하기 위해 내피 세포와 ex ovo 닭 융모막요막으로 형성된 시험관 내 혈관 네트워크를 실험 모델로 사용합니다. 우리 모델의 전체 시각화는 라운드 로빈 방식으로 형광단을 순차적으로 여기하고 세 가지 다른 스펙트럼 대역에서 동기식 개별 이미지를 획득함으로써 달성됩니다. 우리는 다색 현미경이 잘 분리된 스펙트럼 특성을 가진 형광단을 활용하여 마이크로 작용제, 유기체(암 회전 타원체 및 혈관 구조) 및 주변 매체를 스펙트럼적으로 분해하고 1280 \(\times\) 1024 픽셀에서 최대 15 프레임으로 이미지를 획득할 수 있음을 실험적으로 보여줍니다. 초당. 우리의 결과는 실시간 다색 현미경 검사가 마이크로 에이전트 추적, 유기체 형태 및 주변 매체의 명확한 구별과 관련하여 색상으로 구분된 시각화를 통해 이해도를 높인다는 것을 보여줍니다.

마이크로로봇공학 분야는 마이크로/나노 제조 기술의 발전 덕분에 의학의 다양한 응용 분야에 새로운 길을 열었습니다1,2,3. 가장 눈에 띄는 응용 프로그램 중 하나는 치료 성공률을 높이고 약물의 부작용을 완화하며 환자 회복 시간을 단축하는 혁신적인 기술인 표적 약물 전달입니다4,5. 마이크로로봇 시스템의 엔드 이펙터인 마이크로 에이전트는 나노 입자 약물 전달을 위한 운반체로 활용되며 외부 자극(예: 자기장 및 음파)에 의해 관심 조직을 향해 조종됩니다6. 크기 제한으로 인해 센서 통합이 여전히 어려운 과제로 남아 있기 때문에 마이크로 에이전트가 표적 조직에 도달하기 위해 이미징 기술이 활용됩니다. 획득된 이미지는 표적 식별, 마이크로 에이전트 조작 및 원하는 위치에 약물 방출을 위한 피드백 소스로만 간주될 수 있습니다. 따라서 명확한 시각화는 전달 과정에서 중요한 역할을 합니다.

자기공명영상(MRI), 컴퓨터 단층촬영(CT), 투시법, 초음파 및 광음향 영상을 사용하여 시험관 내 및 생체 내 조건에서 마이크로 작용제를 시각화합니다. MRI는 높은 대비 잡음비9,10,11를 갖춘 마이크로 에이전트의 동시 작동 및 시각화에 사용됩니다. 또한 MRI 이미지에는 마이크로 에이전트의 정밀한 조정을 위해 높은 대비 대 잡음비를 갖춘 해부학적 세부 정보가 포함되어 있습니다. 그러나 MRI의 낮은 이미지 획득 속도로 인해 실시간 시각화가 필요한 마이크로 에이전트 애플리케이션에는 적합하지 않습니다. MRI와 유사하게 CT는 마이크로 에이전트의 고해상도 이미지를 제공하지만 작동 및 감지 시스템13의 통합을 위한 작업 공간이 제한되어 있습니다. 투시법은 더 큰 작업 공간을 확보하고 더 많은 이미지 획득 속도를 달성하기 위한 CT의 대체 이미징 방법입니다. CT와 투시법 모두 전리 방사선 노출로 인해 임상의와 환자 모두에게 해로운 영향을 미칩니다16. 영상 기법 중에서 초음파 기반 기술은 건강에 알려진 부작용이 없으며 마이크로 에이전트17,18,19,20,21의 실시간 시각화에 사용됩니다. 초음파 영상은 작은 휴대용 프로브를 사용하여 이미지를 획득하기 때문에 작동 시스템 배치를 위한 넓은 작업 공간을 제공합니다. 그러나 초음파 이미지는 본질적으로 잡음이 많고 인공물을 포함하고 있어 마이크로 에이전트의 감지를 방해합니다. 광음향 이미징은 마이크로 에이전트의 대비 향상을 통해 초음파 이미징의 한계를 극복합니다. 광 흡수는 금속 물질을 포함하는 미세 물질을 가열하고 열팽창에 의해 후속 음파가 생성됩니다. 생성된 음파는 마이크로 에이전트가 초음파 이미징보다 더 높은 신호 대 잡음 비율을 달성하고 주변에서 해결되도록 렌더링합니다.